Über 30 Jahre lang waren die rätselhaften Himmelskörper theoretische Gebilde, von denen niemand wusste, ob es sie überhaupt gibt. Im Jahr 1963 beschäftigte sich der Astronom Shiv Kumar von der University of Virginia in Charlottesville, mit der Entstehung von Sternen. Schon zu dieser Zeit galt es als sicher, dass Sterne aus Gas und Staub geboren werden. Große Wolken verdichten sich unter dem Einfluss der Schwerkraft und zerfallen in viele kleinere Klumpen. Diese schrumpfen weiter und werden dabei im Innern immer heißer – ähnlich wie Luft, die man in einer Pumpe zusammenpresst.

Erreicht die Temperatur im Zentralbereich einer solchen Wolke drei Millionen Grad, springt der Fusionsreaktor an. Dann nämlich sind die positiv geladenen Wasserstoff-Atomkerne so schnell, dass sie die elektrische Abstoßungsbarriere überwinden und schrittweise miteinander verschmelzen können: Zuerst entsteht aus zwei Wasserstoff-Kernen Deuterium, dann Helium-3 und schließlich Helium-4. Dabei wird Energie frei, die den Stern zum Leuchten bringt.

Allerdings muss ein junger Stern mindestens sieben Prozent der Sonnenmasse besitzen, entsprechend der 75fachen Masse des Planeten Jupiter – andernfalls wird es im Kern nicht heiß genug, um die Fusion auszulösen. Shiv Kumar sah aber keinen Grund dafür, dass nicht auch solch kleine Körper entstehen könnten. Diese hätten dann – so die Theorie – interessante Eigenschaften: Solch ein „verhinderter Stern” würde anfänglich gleich Deuterium zu Helium-3 verbrennen, weil hierfür geringere Temperaturen nötig sind als für die Wasserstoff-Fusion. Allerdings ist der Rohstoff Deuterium nur in geringen Mengen vorhanden, sodass schon nach wenigen Millionen Jahren der Ofen ausgebrannt wäre. Von da an würde der Himmelskörper langsam auskühlen.

Damit dieses Deuterium-Brennen einsetzen kann, muss der Körper aber mindestens 13-mal so massereich sein wie Jupiter. Ansonsten handelt es sich um einen Planeten. Braune Zwerge bilden also ein Bindeglied in dem schmalen Massenbereich zwischen Sternen und Planeten.

Diese zunächst nur auf dem Papier existierenden stellaren Fehlzünder nannte man anfänglich Infrarot- oder Schwarze Sterne. Erst 1975 schuf Jill Tarter, die heutige Leiterin des amerikanischen SETI-Programms, den Namen Braune Zwerge. Über 30 Jahre lang suchten die Astronomen vergeblich nach ihnen, bis 1995 ein amerikanisches Astronomenteam um Shri Kulkarni und Tadashi Nakajima am Palomar-Observatorium fündig wurde. Neben dem 18,8 Lichtjahre entfernten Stern Gliese 229 A im Sternbild Hase machten die Forscher ein lichtschwaches Pünktchen aus. Der Himmelskörper besitzt 30 bis 40 Jupitermassen, was ihn eindeutig als Braunen Zwerg ausweist.

Diese Entdeckung ermutigte die Astronomen, endlich die lang gesuchten Braunen Zwerge in großem Stil zu suchen. Größere Durchbrüche gelangen ihnen indes erst in den letzten zwei, drei Jahren. Die Gründe sind offensichtlich: Braune Zwerge haben überwiegend Oberflächentemperaturen von weniger als 1200 Grad Celsius. Sie strahlen deshalb im Infrarotbereich am hellsten, für den die Astronomen erst in den letzten Jahren empfindliche Kameras entwickelt haben. Außerdem besitzen die Zwerge nur ein Hunderttausendstel oder Millionstel der Sonnenleuchtkraft.

Ian McLean von der University of California in Los Angeles gelang es im vergangenen Jahr mit dem Zehn-Meter-Teleskop des Keck-Observatoriums, das Licht von etwa 50 Braunen Zwergen in seine Regenbogenfarben zu zerlegen. Dies ist die sicherste Methode, um einen Braunen Zwerg zu identifizieren. Im Spektrum finden sich dann nämlich die typischen „Fingerabdrücke”: „Wir haben Anzeichen für Methan in den Atmosphären entdeckt, das sich ebenfalls in den äußeren Planeten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun findet”, erklärt McLean. Darüber hinaus identifizierte er im Spektrum Wasserdampf. In Sternen wie der Sonne können Wassermoleküle wegen der viel höheren Temperatur nicht existieren. Wenn die Temperatur so niedrig ist, dass sich Atome zu Molekülen zusammenschließen, müsste sich auch Staub in der Atmosphäre eines Braunen Zwergs bilden, was zu wetterähnlichen Erscheinungen führen sollte. Zwar sind die Himmelskörper viel zu klein, um diese Vorgänge direkt beobachten zu können. Wenn sich aber tatsächlich Staubwolken bilden und wieder auflösen, sollte sich dies in ganz geringen Helligkeitsschwankungen widerspiegeln.

Tatsächlich fanden Coryn Bailer-Jones und Reinhardt Mundt vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg solche Variationen bei einem Braunen Zwerg mit der Bezeichnung S Ori 45. Die Ursache ist jedoch umstritten und lässt sich derzeit nicht eindeutig klären. Entweder handelt es sich tatsächlich um Staubwolken oder aber um Flecken, wie man sie von der Sonne her kennt. In beiden Fällen lässt sich aus der Stärke der Helligkeitsschwankungen ableiten, dass diese dunklen Gebiete etwa ein Fünftel der Atmosphäre beziehungsweise der Oberfläche bedecken.

Dass Braune Zwerge grundsätzlich Flecken haben können, entdeckte Ralph Neuhäuser, Direktor am Astrophysikalischen Institut der Universität Jena. Er stieß auf Helligkeitsvariationen bei sehr jungen Braunen Zwergen. „In ihren Atmo-sphären ist es aber mit etwa 2000 Grad so heiß, dass sich darin kein Staub bilden kann”, erklärt Neuhäuser. Überdies fand er heraus, dass einige Braune Zwerge Röntgenstrahlung aussenden, was wegen der im Vergleich zu Sternen geringen Temperatur sehr überraschend ist. Diese energiereiche Strahlung ist ein Indiz für Magnetfelder, und diese wiederum sind eine Voraussetzung für die Entstehung von Sternenflecken.

Braune Zwerge ähneln also in manchen Eigenschaften eher Planeten und in anderen mehr Sternen. Für die Astronomen stellt sich deshalb die Frage: Wie entstehen diese Himmelskörper? Sterne bilden sich durch die Verdichtung des heißen Gases im Zentrum des scheibenförmigen Urnebels. Planeten hingegen entstehen außerhalb des Zentrums: Dort verbinden sich zuerst Moleküle zu Staubteilchen. Sie kollidieren miteinander, klumpen zusammen und wachsen zu Planetoiden heran. Diese ziehen einander mit ihrer Schwerkraft an und bilden schließlich Planeten. Welchen Weg gehen Braune Zwerge, und wie lässt sich ihre Entstehungsweise herausfinden?

Einige Astronomen zweifeln daran, dass sich Braune Zwerge genauso wie Sterne aus Wolkenfragmenten bilden können. Sie meinen, dass die Gasnebel zu massearm seien, um sich unter der eigenen Schwerkraft zusammenziehen zu können. Darum entwickelten die Wissenschaftler alternative Ideen – mit dem Tenor: Braune Zwerge entstehen, wenn das Wachstum eines normalen Sterns unsanft unterbrochen wird. Dies könnte in einem jungen Doppelsternsystem geschehen, wenn einer der beiden Partner aus dem System herausgeschleudert wird, bevor er ausgewachsen ist. Ursache hierfür könnte ein nahe vorbeifliegender Stern sein. Denkbar ist auch, dass sich in der Umgebung eines entstehenden Sterns ein anderer, sehr heißer Stern befindet. Dieser könnte dann mit seiner intensiven UV-Strahlung die Gaswolke, aus der der Babystern noch Gas aufsammelt, verdampfen und dem Neuankömmling „ Nahrung entziehen”.

Diese beiden Szenarien konnten jedoch jüngst weitgehend ausgeschlossen werden. So studierten Pavel Kroupa von der Universität Kiel und Jérome Bouvier vom Observatorium Grenoble Braune Zwerge im so genannten Taurus-Auriga-Sternentstehungsgebiet. Dort gibt es eine Reihe Brauner Zwerge, aber keine nahen heißen Sterne, die deren Wachstum eingeschränkt haben könnten.

Ein schlagkräftiges Argument gegen die „Schleuderhypothese” fanden Astronomen des Max-Planck-Instituts für Astronomie in Heidelberg und ihre Kollegen von der Thüringer Landessternwarte Tautenburg. Sie beobachteten ebenfalls im Taurus-Auriga-Komplex einen Braunen Zwerg mit der Bezeichnung CFHT BD-Tau 4, der ihnen wegen seiner intensiven Infrarotstrahlung aufgefallen war. Sie studierten das lichtschwache Objekt mit mehreren unterschiedlichen Teleskopen in einem großen Wellenlängenbereich. Ihr Fazit: Nur ein Teil der Strahlung kann vom Braunen Zwerg stammen. Ein Großteil kommt von einer Staubwolke. Würde sie den Braunen Zwerg gleichmäßig wie ein Kokon umgeben, müsste sie dessen Licht abschwächen. „Da dies nicht der Fall ist, handelt es sich unserer Meinung nach um eine Staubscheibe”, erklärt der Direktor des Max-Planck-Instituts Thomas Henning.

Mit großer Sicherheit ist CFHT BD- Tau 4 nicht aus einem Doppelsystem herausgeschleudert worden, denn dabei hätte es die Scheibe zerrissen. Dass dieser Braune Zwerg kein Einzelfall ist, bewies ein Team um Ray Jayawardhana von der University of Michigan in Ann Arbor. Bei einer groß angelegten Studie fanden die Forscher bei etwa der Hälfte aller untersuchten Braunen Zwerge eine überhöhte Infrarotstrahlung, die vermutlich ebenfalls von Scheiben stammt.

Offenbar bilden sich Braune Zwerge also doch auf ganz ähnliche Weise wie ihre großen Brüder. Dann besteht prinzipiell auch die Möglichkeit, dass in den Staubscheiben Planeten heranwachsen. Sehr groß könnten sie indes nicht werden. Henning und seine Kollegen schätzen nämlich, dass die Scheibe von CFHT BD-Tau 4 etwa so viel Materie enthält wie der Planet Jupiter.

„Wir glauben, dass sich in den Scheiben Brauner Zwerge auch Planeten bilden können”, sagt Henning. Trifft das zu, könnten solche Systeme günstige Möglichkeiten bieten, die kleinen Trabanten direkt zu beobachten. Im Normalfall geht ein Planet nämlich im Glanz seines rund eine Milliarde Mal helleren Zentralsterns unter. Bei Braunen Zwergen wäre dieses Helligkeitsverhältnis wesentlich günstiger.

Mittlerweile sind etwa 300 Braune Zwerge bekannt. Ihre grundlegenden Eigenschaften aber – wie Größe und Masse – müssen nach wie vor mit Hilfe theoretischer Modelle aus Beobachtungsdaten abgeleitet werden. Doch wie gut sind die Modelle? Das lässt sich nur beantworten, indem man bei möglichst vielen Braunen Zwergen diese Grundgrößen unabhängig von einem Modell ermittelt. Besonders wichtig ist es hierfür, Braune Zwerge mit bekannter Entfernung und bekanntem Alter zu finden. Letzteres deshalb, weil sie im Laufe der Zeit anders als Sterne abkühlen. Je schwerer ein Brauner Zwerg ist, desto heißer wird er geboren. Aus diesem Grund lässt sich aus einer astronomisch gemessenen Temperatur ohne Kenntnis des Alters nicht eindeutig ermitteln, ob es sich um einen jungen massearmen oder einen alten massereichen Braunen Zwerg handelt: Ein eine Milliarde Jahre alter Brauner Zwerg von 80 Jupitermassen beispielsweise hat dieselbe Temperatur wie ein nur 200 Millionen Jahre alter Körper von 15 Jupitermassen.

Kürzlich gelang jedoch die Entdeckung eines doppelten Braunen Zwergs, der es erstmals ermöglichen wird, diese Mehrdeutigkeit zu überwinden. Schon Ende 2002 fand ein deutsches Astronomenteam im Südsternbild Indus (Indianer) einen – vermeintlich einzelnen – Braunen Zwerg in der Nähe des Sterns Epsilon Indi. Die beiden Gestirne sind 400 Bogensekunden voneinander entfernt, was dem 1460fachen Abstand Erde– Sonne entspricht. Entscheidend ist, dass die Entfernung des Sterns Epsilon Indi sehr genau bekannt ist – 11,8 Lichtjahre – und sich auch dessen Alter zwischen 0,8 und 2 Milliarden Jahren eingrenzen lässt. Denn er muss genauso alt sein wie der Stern Epsilon Indi. Damit galt dieser Braune Zwerg, genannt Epsilon Indi B, bereits als Maßstab für seine Objektklasse.

Im August 2003 beobachteten dann Astronomen vom Astrophysikalischen Institut Potsdam, vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg und vom Steward Observatory in Tucson, Arizona, den Braunen Zwerg mit der Infrarotkamera NACO am Very Large Telescope. NACO verfügt über eine so genannte adaptive Optik. Sie ermöglicht es, die Luftunruhe, die normalerweise Langzeitaufnahmen verschmiert, während der Belichtung zu korrigieren. Auf diese Weise erzielt man Bilder mit der maximal möglichen Schärfe.

„Eigentlich wollten wir NACO optimieren, um damit auf die Jagd nach Planeten zu gehen, die ferne Sterne umkreisen”, sagt Rainer Lenzen vom Heidelberger Max-Planck-Institut. „Als wir das Instrument zur Probe auf Epsilon Indi B richteten, sahen wir zu unserer Überraschung, dass es sich in Wirklichkeit um zwei Braune Zwerge handelt.” Bei der ersten Aufnahme war dies den Astronomen entgangen, weil die beiden Himmelskörper mit nur 0,73 Bogensekunden sehr eng beieinander stehen. Das entspricht einem realen Abstand von 2,65 Erdbahnradien. Damit ist es das bislang erdnächste Paar Brauner Zwerge und bietet deshalb einzigartige Beobachtungsmöglichkeiten. Die beiden Zwerge Epsilon Indi Ba und Bb kreisen um einen gemeinsamen Schwerpunkt, und dieser läuft in großem Abstand um den Stern Epsilon Indi A.

Andere NACO-Spektren zeigten die für derartige Objekte charakteristischen Anzeichen von Wasser und Methan in der Atmosphäre. Zusätzliche Messdaten ergaben für die beiden Braunen Zwerge sehr geringe Leuchtkräfte von 17 beziehungsweise 4,4 Millionstel der Sonnenleuchtkraft. Mit einem für Epsilon Indi angenommenen Alter von 1,3 Milliarden Jahren errechneten die Astronomen Massen von 47 beziehungsweise 28 Jupitermassen sowie Größen von 0,091 beziehungsweise 0,096 Sonnenradien.

Dieses Paar verspricht für die Zukunft noch wesentlich genauere und vor allem modellunabhängige Werte. Es sollte möglich sein, die Durchmesser erstmals zu ermitteln. Denn die erwarteten Winkelgrößen von etwa 0,25 tausendstel Bogensekunden liegen gerade an der Auflösungsgrenze des Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte, wenn man zwei der insgesamt vier Teleskope zu einem Interferometer zusammenschaltet. „Das liegt an der Grenze des Machbaren, ist aber vielleicht möglich”, hofft Teamleiter Mark McCaughrean aus Potsdam.

Da die Umlaufdauer der beiden Körper mit etwa 16 Jahren verhältnismäßig kurz ist, lässt sich die Bahn wohl innerhalb der nächsten Jahre bestimmen. Hieraus ergibt sich die Gesamtmasse der beiden Körper. Mit ergänzenden Messungen könnte es sogar möglich sein, die Einzelmassen unabhängig von physikalischen Annahmen zu ermitteln. Damit haben diese beiden Braunen Zwerge das Potenzial, zu einem Standard für diese Klasse von Himmelskörpern zu werden.

Lange Zeit galten Braune Zwerge als Kandidaten für die unsichtbare Dunkle Materie. Nach heutigem Wissensstand macht sie etwa ein Viertel der Gesamtmaterie im Universum aus. Könnten die Zwerge nennenswert hierzu beitragen? Die Antwort ist eindeutig: Nein. Von den Sternen wissen die Astronomen seit langem, dass ihre Häufigkeit mit abnehmender Masse zunimmt: Es gibt prozentual viel mehr leichte als schwere Sterne. Lange war aber unklar, ob sich dieser Trend zu den Braunen Zwergen hin fortsetzt.

Im vergangenen Jahr durchsuchten mehrere Astronomenteams Sternhaufen nach Braunen Zwergen. Diese Ansammlungen eignen sich für solche Studien besonders gut, weil man hier gewissermaßen geschlossene Gesellschaften vor sich hat, in denen alle Mitglieder etwa gleich weit entfernt und gleich alt sind. Die Ergebnisse unterschieden sich im Detail, hatten jedoch eines gemeinsam: Die Häufigkeit der Sterne nimmt absteigend bis zu einigen Zehnteln der Sonnenmasse zu. Dann kommt dieser Trend jedoch zum Stillstand und kehrt sich vermutlich bei etwa einer Fünftel Sonnenmasse um: Die Anzahl der sehr massearmen Sterne und Braunen Zwerge wird geringer. Das bedeutet: Es gibt höchstens so viel Braune Zwerge wie Sterne. Ihre Zahl ist daher zwar enorm, ihr Beitrag zur insgesamt im Universum vorhandenen Materie macht aber nur wenige Promille aus.

Die Suche nach der Dunklen Materie geht weiter. Und die Suche nach weiteren Braunen Zwergen ebenfalls. ■

THOMAS BÜHRKE, promovierter Physiker und Astronom, ist Wissenschaftsjournalist und regelmäßiger Autor von bild der wissenschaft.

Thomas Bührke